瞬變電磁法超前探測技術在探放水方面的應用

喬永杰

陽煤集團平定裕泰煤業有限公司位于陽泉市平定縣張莊鎮，礦井井田面積為4.3 km2，保有地質儲量28.954 Mt，可采儲量19.775 Mt，可供布置工作面的資源儲量約為8 Mt。開采15#煤層，煤層平均厚度為5.39 m。煤質屬02號無煙煤，品質優良，符合環保政策對燃煤質量的要求。礦井生產能力在重組整合之后由原0.15 Mt/a提升到0.60 Mt/a，實現一井一面，綜合機械化采煤作業，該公司煤礦采用斜井開拓，兩級混合絞車提升。

1 瞬變電磁法超前探測技術工作原理

瞬變電磁法屬時間域電磁感應方法。其探測原理是：在發送回線上供一個電流脈沖方波，在方波后沿下降的瞬間，產生一個向發射回線法線方向傳播的一次磁場，在一次磁場的激勵下，地質體將產生渦流，其大小取決于地質體的導電程度，在一次場消失后，該渦流不會立即消失，它將有一個過渡(衰減)過程。該過渡過程又產生一個衰減的二次磁場向地質體內傳播，由接收回線接收二次磁場，該二次磁場的變化將反映地0質體的電性分布情況。工作面內、巷道頂底板及掘進頭前方巖層內的富水區，通常表現為低電阻率值區。因此，富水區范圍和煤層變薄區等與正常煤層間存在明顯的電性差異，可以進行瞬變電磁探測來查明相關問題。

2 工作面概況

十四采區81402工作面走向高抽巷，巷道作為81402工作面回采時瓦斯抽放專用巷道，沿11#煤層頂板為標志層掘進的全巖巷。巷道總體構造形態為一背斜構造，局部發育有次一級的向，背斜構造，巖層傾角最大12°，最小2°，一般5°左右。巷道頂底板巖性情況如表1所示。

表1 巷道頂底板巖性情況

3 探測方法簡述

3.1 探測方法

圖1為瞬變電磁法現場測點探測布置：其中迎頭測點間距15°左右旋轉，采集13個測點 (1～13)；其中1為向左0°探測、15為向右0°探測；每個迎頭探測布置13×6=78個物理點，共采集數據78個測點。為了探測到巷道掘進前方及其頂巖層內富水性，采用多匝重疊線框，小回線測量。

圖1 81402走向高抽巷現場測點布置

3.2 探測儀器介紹

本次探測儀器型號為YCS40（A），線圈大小為2 m×2 m，參數如表2所示。

表2 YCS40（A）瞬變電磁儀參數

4 數據解釋

本次探測巷道位于81402高抽巷，探測目的層為掌頭及側幫頂板、順層富水情況，探測點位于高抽巷523測點處，共得出五個側幫視電阻率剖面。由以下圖可以看出：

1）側幫頂板75°剖面反映0～200 m之間。在0～90 m之間，范圍深度20～40 m；90～120 m之間，范圍深度20～90 m；120～150 m之間，范圍深度20～75 m區域存在低阻異常區。

2）側幫頂板60°剖面反映0～200 m之間。在0～20 m之間， 范圍深度20～50 m；20～50 m之間，范圍深度20～78 m；50～90 m之間，范圍深度20～40 m；90～120 m之間，范圍深度20～100 m；120～134 m之間，范圍深度20～70 m區域存在低阻異常區；

3）側幫頂板45°剖面反映0～200 m之間。在0～64 m之間，范圍深度2～100 m；146～158 m之間，范圍深度40～80 m區域存在低阻異常區；

4）側幫頂板30°剖面反映0～200 m之間。在0～54 m之間，范圍深度20～100 m；144～154 m之間，范圍深度28～100 m區域存在低阻異常區；

5）側幫順層剖面反映0～200 m之間。在0～65 m之間，范圍深度20～100 m；140～158 m之間，范圍深度30～78 m區域存在低阻異常區；

瞬變電磁在礦井探水解釋原則：主要從電性上分析不同地層的電性分布規律。在原生地層狀態下，其導電性特征在縱向上固定的變化規律，而在橫向上相對比較均一。當地質構造變化時，無論其含水與否，都將打破地層電性在縱向和橫向上的變化規律。這種變化規律的存在，表現出巖石導電性的變化。當存在構造破碎帶時，如果構造不含水，則其導電性較差，局部電阻率值增高；如果構造含水，由于其導電性好，相當于存在局部低電阻率值地質體，解釋為相對富水。同樣如果采空區不積水，則其導電性較差，局部電阻率值增高；如果采空區積水，由于其導電性好，相當于存在局部低電阻率值地質體，解釋為相對富水。從本次探測現場采集數據并結合地質資料綜合分析：

（1）側幫頂板75°、側幫頂板60°方向出現的低阻異常區推測為3#或9#煤采空巷道局部低洼地段積水或煤巖層局部富水所致。

（2）側幫頂板45°、側幫頂板30°方向出現的低阻異常區推測為9#煤采空巷道局部低洼地段積水或煤巖層局部富水所致。

（3）側幫頂板75°、側幫頂板60°、側幫頂板45°、側幫頂板30°方向局部出現的高阻異常區推測為3#、9#煤局部采空巷道或構造節理裂隙發育所致。

（4）側幫順層方向局部出現的低阻異常區推測為構造節理裂隙發育富水所致。

根據有關探測資料，為實現安全生產，決定對有關探測富水區進行打鉆探放。在探測范圍共布置三個鉆場，共計施工鉆孔6個，放水50000 m3。其中探測分析的上部煤層采空區低洼處積水為主要來源。根據放水鉆孔點和探測異常區對比，區域基本相符，驗證了瞬變電磁超前探測技術在探水方面的有效性。

5 需要注意的問題

1）礦用瞬變電磁儀探測的盲區是以探測點為中心，半徑20 m以內的范圍，因此在掘進過程中要注意該區段的賦水情況；

2）本次探測位置位于 高抽巷523測點處。頂板及幫鋼條支護，底板有少量矸石，探測位置有鋼管鐵軌，上述環境對數據采集質量有一定影響。

6 結語

瞬變電磁技術作為煤礦地質探測的先進技術之一，已在煤礦中得到推廣應用。此次采取瞬變電磁技術觀測方法進一步提高了水文地質探測精度，對工作面的地質構造和水文預測預報做到了較為準確的判斷，得到了工作面上方采空區的充水位置和范圍，為礦井水文預測預報和防排水措施的制定提供了較為充實的數據資料，從而為下一步我礦順利疏放工作面上方采空區積水提供了科學依據。